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In a foam-lined chamber at Stanford, a transmitter and a receiver sit at room temperature, and data passes between them without the transmitter producing a single radio wave. Assistant professor Zerina Kapetanovic's team has shown that the background static of electronics can carry information. The result, published in the Proceedings of the National Academy of Sciences, describes a method the researchers call thermal noise communication.
Num laboratório de Stanford, revestido a espuma, um transmissor e um recetor estão à temperatura ambiente, e os dados passam entre eles sem que o transmissor produza uma única onda de rádio. A equipa da professora auxiliar Zerina Kapetanovic demonstrou que o ruído de fundo dos equipamentos eletrónicos pode transportar informação. O resultado, publicado nas Proceedings of the National Academy of Sciences, descreve um método a que os investigadores chamam comunicação por ruído térmico.
Thermal noise is the faint static created by the vibration of electrons in electrical conductors. Radio and cellular systems normally struggle against it. Its strength depends on temperature, and sensitive instruments can pick it up: astronomers use the thermal noise emitted by distant planets and stars to study them. Kapetanovic's earlier research on agricultural sensing led her to wonder whether a device could work like the RFID window tags used for highway tolls, answering a query without an energy-intensive radio signal. A conventional radio transmitter can use up to 1,000 times as much energy to send information as a transmitter using only thermal noise, according to the study.
O ruído térmico é o chiado ténue criado pela vibração dos eletrões nos condutores elétricos. Os sistemas de rádio e de telemóveis costumam lutar contra ele. A sua intensidade depende da temperatura, e instrumentos sensíveis conseguem captá-lo: os astrónomos usam o ruído térmico emitido por planetas e estrelas distantes para os estudar. A investigação anterior de Kapetanovic sobre sensores agrícolas levou-a a perguntar se um dispositivo poderia funcionar como as etiquetas RFID de janela usadas nas portagens das autoestradas, respondendo a uma consulta sem um sinal de rádio com grande consumo de energia. De acordo com o estudo, um transmissor de rádio convencional pode gastar até 1 000 vezes mais energia para enviar informação do que um transmissor que usa apenas ruído térmico.
The mechanism is simple to describe. The transmitter, fitted with an antenna, alternates between two electrical states, an open circuit and a short circuit, which stand for the bits one and zero. In one state it absorbs the ambient noise, in the other it reflects it. The receiver amplifies the noise bouncing off the antenna and sees a pattern: the reflected noise looks hotter or colder. The amplifier, which the researchers compare to an electron refrigerator, slows the electrons down and makes the noise appear colder. Joseph Kahn compares the transmitter to a castaway signalling with a hand mirror: "It's just a reflector." It modulates the signal without cooling anything, which is what made the experiment puzzling at first.
O mecanismo é simples de descrever. O transmissor, equipado com uma antena, alterna entre dois estados elétricos, um circuito aberto e um curto-circuito, que representam os bits um e zero. Num estado absorve o ruído ambiente, no outro reflete-o. O recetor amplifica o ruído que ressalta da antena e identifica um padrão: o ruído refletido parece mais quente ou mais frio. O amplificador, que os investigadores comparam a um refrigerador de eletrões, abranda os eletrões e faz com que o ruído pareça mais frio. Joseph Kahn compara o transmissor a um náufrago que sinaliza com um espelho de mão: «É apenas um refletor.» Modula o sinal sem arrefecer nada, e foi isso que tornou a experiência intrigante no início.
To understand the link, the team derived a channel model, the equation that defines the fundamental variables of the system, a tool used in all forms of wireless communication. Adjusting the setup according to that model improved the data transfer rate by 100 times. The study does not give the resulting speed in absolute terms, and the experiments still take place inside the insulated box. The next steps are linking several transmitters into a network and making sure the signal is not lost in noisier environments.
Para compreender a ligação, a equipa desenvolveu um modelo de canal, a equação que define as variáveis fundamentais do sistema, uma ferramenta usada em todas as formas de comunicação sem fios. Ajustar a configuração de acordo com esse modelo melhorou a taxa de transferência de dados 100 vezes. O estudo não indica a velocidade resultante em termos absolutos, e as experiências continuam a decorrer dentro da caixa isolada. Os próximos passos são ligar vários transmissores numa rede e garantir que o sinal não se perde em ambientes mais ruidosos.
What changes for the moment is a question of where low-power communication could go. The researchers see the approach as suited to situations where small amounts of data must move and power is scarce, such as environmental sensing, and to places sensitive to electromagnetic interference, like medical devices or astronomy observatories. "We're hoping that this unconventional communication system can unlock wireless communication where it hasn't been able to go before," said Geneva Ecola. The study gives no timeline for applications outside the laboratory, and the system has not been tested in the field.
Por agora, o que muda é a questão de até onde pode chegar a comunicação de baixo consumo. Os investigadores veem a abordagem como adequada a situações em que é preciso deslocar pequenas quantidades de dados e a energia é escassa, como a monitorização ambiental, e a locais sensíveis a interferências eletromagnéticas, como dispositivos médicos ou observatórios astronómicos. «Esperamos que este sistema de comunicação pouco convencional possa desbloquear a comunicação sem fios onde até agora não conseguiu chegar», disse Geneva Ecola. O estudo não aponta qualquer calendário para aplicações fora do laboratório, e o sistema ainda não foi testado no terreno.